Sterowniki PLC co to jest? Jakie jest ich zastosowanie i budowa?

Sterownik PLC to dzisiaj nieodłączny element niemal każdej hali produkcyjnej. Wiele procesów technologicznych byłoby wręcz niemożliwe do przeprowadzenia bez ich udziału. Jak działają i za co odpowiadają?

Co to jest sterownik PLC?

Ten niewielki moduł elektroniczny jest na całym świecie oznaczany skrótem PLC - Programmable Logic Controller - który w języku polskim rozwija się jako programowalny sterownik logiczny. Nie ma jednej, konkretnej formy. Bardziej charakterystyczne jest jego wyposażenie oraz zastosowanie.

Sterownik PLC pełni funkcję nadzorczo-kontrolną. Sprawdza, co dzieje się w nadzorowanym obiekcie, po czym wykonuje odpowiednie działania, zgodnie z zaprogramowanym algorytmem. Jest programowalny, więc listę koniecznych do wykonania rozkazów możemy mu zdefiniować wedle naszych potrzeb. Może również wszcząć alarm, gdyby wydarzyło się coś nieoczekiwanego.

Jak działa oprogramowanie takiego sterownika?

Program sterownika PLC krąży w pętli: Po sprawdzeniu wszystkich warunków i wykonaniu potrzebnych czynności, wraca do początku listy i przegląda ją ponownie. Może zatem bezustannie sprawdzać temperaturę, stan czujników, natężenie oświetlenia, pobór prądu i tak dalej.

Sterownik reaguje na stany wejść lub zmierzone wielkości wejściowe, po czym realizuje komunikację z innymi urządzeniami oraz zadaje nowe wielkości wyjściowe: włącza przekaźniki, zmienia napięcia lub reguluje obroty silników. Może też przez długi czas nie robić nic, jeżeli stany wejść są prawidłowe i żadne z wyjść nie wymaga modyfikacji jego stanu.

Bardzo istotna jest również diagnostyka, ponieważ każdy sterownik potrafi się w pewnym stopniu zbadać sam. Zasygnalizuje uszkodzenie wyjścia cyfrowego lub analogowego, zgłosi nieprawidłowe zasilanie lub błąd w komunikacji z innym sterownikiem. W ten sposób można wykryć moment, kiedy musi zaingerować człowiek. Najczęściej będzie to technik, który sprawdzi, co danemu urządzeniu dolega i podejmie stosowne kroki.

Ich popularność stała się tak wysoka, ponieważ mają bardzo dużo możliwych zastosowań. To właśnie brak narzuconej formy powoduje, że podbiły cały świat przemysłu i nie tylko.

Charakterystyczne wyposażenie

W skład każdego takiego sterownika wchodzi kilka podstawowych bloków, które powodują, że wyróżnia się spośród innych urządzeń elektronicznych. Są to:

• wejścia cyfrowe,
• wejścia analogowe,
• wyjścia cyfrowe,
• wyjścia analogowe,
• jednostki centralnej z pamięcią,
• zasilacza,
• moduły komunikacyjne.

Wejścia cyfrowe

Ich zadaniem jest przesłanie do sterownika informacji typu zero-jedynkowej: coś jest albo tego czegoś nie ma. Najczęściej podłącza się tutaj różnego rodzaju styki przełączników lub wyłączników krańcowych, które ulegają zwarciu lub rozwarciu w odpowiednim momencie.

Tego typu wejścia mogą mieć również postać bezpotencjałową, czyli wymagane jest do nich doprowadzenie napięcia. Jeżeli ono jest wyższe niż określony pułap, sterownik rozpoznaje je jako logiczną “1”. Po spadku poniżej odpowiedniego progu, zostaje zinterpretowane jako “0”.

Wejścia analogowe

Ten rodzaj wejść może zebrać dokładniejszą informację o otaczającym sterownik świecie: jaka jest dokładna wartość napięcia? Jaka jest temperatura zmierzona termoparą? Ile waży przedmiot stojący na wadze z czujnikiem tensometrycznym? Na te pytania, oraz wiele innych, odpowiedź można znaleźć właśnie poprzez pomiar wielkości analogowej.

Sterowniki PLC mają kilka dedykowanych rodzajów wejść analogowych. Najczęściej są to wejścia napięciowe (realizujące pomiar napięć w określonym przedziale) oraz prądowe (mierzące natężenie prądu na przykład w pętli prądowej). Inne rodzaje wejść są potrzebne określonym czujnikom, jak wspomnianej wcześniej termoparze.

Wbudowane w sterownik przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) realizują konwersję tych wielkości na postać cyfrową, zrozumiałą dla reszty elektroniki. Nie oznacza to, że informacja staje się mniej dokładna albo że jej część jest tracona. To inny rodzaj komunikacji cyfrowej, niż ten, z którym mamy do czynienia przy okazji wejść cyfrowych. Przetworniki są tak zaprojektowane i na tyle dokładne, że program sterownika otrzymuje informację o napięciu czy prądzie w taki sam sposób, jak gdyby zmierzyć ją ręcznie i wpisać z klawiatury.

Wyjścia cyfrowe

Załączyć światło? Wyłączyć silnik? Zamknąć zawór? Nie ma problemu, od tego właśnie są wyjścia cyfrowe. Również mogą przyjmować wyłącznie jeden z dwóch stanów: jest napięcie albo nie ma napięcia. One dają sterownikowi PLC siłę sprawczą, ponieważ to nimi steruje w procesie regulacji.

Oprócz wyjść potencjałowych, mamy do dyspozycji również wyjścia bezpotencjałowe, czyli posiadające formę styków przekaźnika, bez żadnego połączenia z zasilaczem. W ten sposób możemy zasilić obwód wymagający separacji galwanicznej od reszty układu, na przykład elektrozawór pracujący przy bardzo niskim napięciu.

Wyjścia analogowe

Jeżeli sterownik może obsługiwać sygnały w formie analogowej, to może je również generować samodzielnie. Prym wiodą tutaj dwa rodzaje wyjść analogowych:

• napięciowe (0-5V lub 0-10V) oraz
• prądowe (4-20mA)

Te standardy są znane i stosowane w całym przemyśle. Takie wejścia posiadają zarówno proste urządzenia, jak siłowniki czy zawory o zmiennym kącie otwarcia, jak i bardzo złożone - na przykład falowniki sterujące potężnymi silnikami prądu zmiennego.

Wyjście prądowe nosi czasem nazwę pętli prądowej, ponieważ transmitowana informacja ma postać natężenia prądu płynącego przez dwa przewody. Stąd określenie tego rozwiązania mianem pętli, ponieważ musi zostać spełnione I Prawo Kirchhoffa: prąd o określonym natężeniu, który wypływa z urządzenia, musi również do niego wracać. Pętla prądowa jest zdecydowanie bardziej odporna na zakłócenia, ponadto łatwiej zdiagnozować jej uszkodzenie.

Wyjścia analogowe są realizowane przez odpowiednie przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A). Podobnie, jak w przypadku przetworników obsługujących wejścia, tak i te wyjściowe muszą realizować konwersję z jak najmniejszymi zniekształceniami - co jest możliwe już od dawna.

Jednostka centralna z pamięcią

Jeżeli wejścia są oczami i uszami sterownika, a wyjścia jego nogami i rękami, to jednostka centralna pełni funkcję mózgu. Zawiera najczęściej mikrokontroler, który przetwarza informacje według zadanego mu wcześniej algorytmu. Cały ten proces odbywa się czysto cyfrowo, stąd konieczność konwersji wielkości analogowych do postaci cyfrowej i odwrotnie.

W jednostce centralnej, czasem noszącej skrót CPU, znajdują się dwa rodzaje pamięci: ulotna i nieulotna. Ta pierwsza zawiera aktualne wyniki przetwarzania oraz różne wielkości pomocnicze, wygenerowane z potrzeby chwili. Jej zawartość ulega zanikowi po wyłączeniu zasilania, stąd jej nazwa.

Pamięć nieulotna działa inaczej, a znajduje się w niej głównie program realizowany przez sterownik. Procesor odczytuje kolejne instrukcje i wykonuje je według ustalonej kolejności. Znajdują się w niej również zdefiniowane później wielkości, jak adresy urządzeń czy momenty wystąpienia jakichś zdarzeń (tzw. znaczniki czasowe).

Do zadań jednostki centralnej należy również autodiagnostyka całego sterownika PLC. Zbiera informacje od modułów wchodzących w jego skład i odpowiednio komunikuje, jeśli zachodzi taka potrzeba. Może nawet zawiesić wykonywanie programu, jeżeli jakaś sytuacja wykracza poza normę.

Zasilacz

Żaden układ elektroniczny nie poradzi sobie bez zasilacza. Większość sterowników PLC ma wbudowane zasilacze sieciowe, ale niektóre tego typu urządzenia mają również wejścia zasilania 24V. Wtedy na szynie może znajdować się jeden zasilacz sieciowy, wspólny dla kilku urządzeń.

Niezależnie od tego, w każdym sterowniku musi się znajdować odpowiednia sekcja dopasowująca zasilanie dla układów cyfrowych jednostki centralnej i przetworników obsługujących wejścia i wyjścia. Same obwody wejść/wyjść też mogą wymagać odpowiednio odfiltrowanego zasilania.

Moduły komunikacyjne

Współczesne PLC to nie tylko skrzyneczki, które realizują proste funkcje. Mogą stanowić część znacznie większej infrastruktury, rozłożonej po całym obiekcie przemysłowym. Sterowniki mogą komunikować się zarówno między sobą, jak i z innymi urządzeniami, na przykład z serwerami z których pobierają aktualne wartości nastaw i pozostawiają logi błędów.

Najpopularniejsze interfejsy komunikacyjne to Ethernet oraz WiFi. Równie często można znaleźć specjalizowane standardy przemysłowe jak Profinet, Profibus czy Modbus. Są dostępne nawet moduły GSM.

Gdzie znajdziemy sterowniki PLC?

Liczba ich zastosowań jest naprawdę szeroka, ale kilka miejść jest bezdyskusyjnie zdominowana przez te sterowniki.

Hale produkcyjne

Te urządzenia powstały na potrzeby przemysłu i nadal ta gałąź gospodarki jest ich największym odbiorcą. Odlewnie, huty, zakłady przetwórstwa warzywno-owocowego, mroźnie, a nawet spalarnie śmieci są zautomatyzowane tymi sterownikami. Pozwalają na zastąpienie ludzi w mozolnych, nużących i powtarzalnych zadaniach.

Jednak to nie oznacza, że ludzie stali się niepotrzebni. Dzisiaj nie potrzeba silnych mężczyzn, który obsługiwali miechy wtłaczające powietrze do pieca hutniczego - to robią za nas dmuchawy elektryczne. Człowiek staje się nieodzowny wtedy, kiedy trzeba cały proces technologiczny skonfigurować i zoptymalizować - czyli stworzyć oprogramowanie odpowiedniego sterownika. Ponadto, na bieżąco potrzebni są serwisanci, którzy dokonują napraw i okresowych przeglądów wszystkich maszyn.

Uprawa roślin i chów zwierząt

Ciągłe nadzorowanie temperatury, wilgotności, nasłonecznienia czy stanu paszy - to są proste, rutynowe zadania, których nie musi robić człowiek. Znacznie szybciej i dokładniej moga to za nas wykonać maszyny, na przykład sterowniki PLC z siecią odpowiednich czujników. Będą uchylały okna, włączały klimayzację, dolewały wodę i dosypywały paszę wtedy, kiedy jest to konieczne.

Do zadań ludzi należy sprawowanie kontroli nad całą infrastrukturą oraz żywym dobytkiem.

Piece centralnego ogrzewania

Czy obsługa małego, domowego pieca czymś różni się od pieca hutniczego? Absolutnie nie, inna jest jedynie skala. Jeden i drugi wymagają podawania paliwa czy włączania nadmuchu do utrzymania określonej temperatury.

Dlatego w naszych kotłowniach można znaleźć niewielkie, specjalizowane sterowniki spełniające wszystkie wymagania stawiane sterownikom PLC. Mają kilka wejść i wyjść, prosty wyświetlacz oraz kilka klawiszy. Ich algorytm został wgrany uprzednio przez producenta, ale my, jako użytkownicy, możemy modyfikować niektóre jego parametry. Część sterowników może się komunikować poprzez sieć z innymi urządzeniami smart home.

Podsumowanie

Sterowniki PLC to temat znany od wielu lat, ale nadal prężnie rozwijany. Liczba zastosowań tych urządzeń stale rośnie. Rośnie również ich stopień zaawansowania - nie tylko liczba wejść i wyjść, ale również możliwości komunikacyjne z innymi urządzeniami.